（交通信息工程及控制专业论文）嵌入式数字轨道地图数据管理平台的研究与设计.pdf

中文摘要 摘要：在基于通信的列车控制( c b l ) 领域中，列车定位是一项重要技术，这项 技术对保障行车安全，提高列车运行效率具有重要意义。使用全球卫星定位系统 ( g n s s ) 是实现列车自主定位的有效手段，而数字轨道地图可以很好地辅助实现 g n s s 定位。数字轨道地图应用在列车控制系统中，利用嵌入式系统管理地图中的 轨道线路、铁路设备分布等轨道信息，有体积小、重量轻、成本低等优点。因此， 要实现嵌入式数字轨道地图，必须对轨道数据的获取、处理和管理等方面进行研 究。 本文即利用全球定位系统( g p s ) 、嵌入式系统、嵌入式数据库等技术，针对 数字轨道地图获取、处理和管理轨道数据等内容展开研究，设计生成数字轨道地 图，搭建嵌入式数字轨道地图数据管理平台。 首先，对数字轨道地图进行设计。进行实地测量实验，利用g p s 卫星定位接 收机获取轨道信息。本文中以轨道信息中位置信息为例进行处理，通过对经纬度 等轨道信息的提取和格式转换，得到符合数字轨道地图应用需求的平面坐标数据， 进而在计算机中利用处理后得到的数据生成数字轨道地图。 其次，搭建数字轨道地图的嵌入式数据管理平台。本文选取基于a r m 7 t d m i 的$ 3 c 4 4 8 0 嵌入式系统作为硬件平台，嵌入式操作系统u c l i n u x 和嵌入式数据库 s q l i t e 作为软件平台。建立交叉编译环境，在计算机上虚拟l i n u x 操作系统，从 而通过交叉编译器在计算机中的编译，获得嵌入式系统中u c l i n u x 操作系统下可以 运行的程序。接着，在交叉编译环境下对嵌入式操作系统u c l i n u x 进行设置和编译， 实现u c l i n u x 操作系统在嵌入式系统中的移植。最后对操作系统进行修改，在 u c l i n u x 内核中加入数据库s q l i t e 并进行配置，实现嵌入式数据库s q l i t e 的移植， 用a r m 7 + u c l i n u x + s q l i t e 的组合构建数字轨道地图数据管理的嵌入式平台。 总之，本文设计实现了数字轨道地图的生成和嵌入式数字轨道地图数据管理 平台a r m 7 + u c l i n u x + s q l i t e 的搭建，为嵌入式数字轨道地图的研究打下了良好的 基础。 关键词：数字轨道地图；嵌入式系统：g p s ；u c l i n u x ；s q l i t e 分类号：u 2 8 4 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nt h er e s e a r c ha r e ao fc o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc e n t r e l ( c b t c ) ， t r a i np o s i t i o n i n gi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g y , w h i c hi si m p o r t a n tf o rt h es a f l yo ft h e t r a n s p o r t a t i o na n dc 粗i m p r o v et h ee f f i c i e n c y w e 啪u s eg l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t e s y s t e m ( o n s s ) t or e a l i z et h es e l f - p o s i t i o n i n go ft h ea m , b u ti fw eh a v ed i g i t a lt r a c k m a p , w e c a np o s i t i o n i n gt h et r a i nw i mg n s sb e t t e l w h e nw eu s et h ed i g i t a lt r a c km a p i nt h ea r e ao fc b t c ，w ec a nc h o o s ee m b e d d e ds y s t e ma st h ep l a t f o r m t h e r ea l et r a c k d a t al i k et r a c kl i n e , r c l a t e dt r a c ke q u i p m e n ta n ds oo ni nt h ed i g i t a lt r a c km a p ，s oi fw e m a n a g et h et r a c kd a t aw i 廿le m b e d d e ds y s t e m , i ti ss m a l l e ra n dl i g h t e r , a n dc o s t sl e s s s o ， i fw ew a n tt oo r e a iad i g i t a lt r a c km a p ，w em u s td os o m er e s e a r c ho nr e c e i v i n g , p r o c e s s i n ga n dm a n a g e m e n to f t h et r a c kd a t a i nt h i sp a p e r , w eh a v es o m ew o r ko nt h er e c e i v i n g , p r o c e s s i n ga n dm a n a g e m e n to f t h ed a t a , a n du s es o m et e c h n o l o g yl i k eg p s ，e m b e d d e ds y s t e m , e m b e d d e dd a t a b a s et o r e s e a r c h a t6 赋w ed ot h ed e s i g nw o r kf o r t h ed i g i t a lt r a c km a p w er e c e i v eg p st r a c k d a t a , t a k i n gt h ep o s i t i o nd a t af o rr e s e a r c hi nt h i sp a p e r , a n dd e a lw i t hi tt og a i nt h e l a t i t u d ea n dl o n g i t u d ed a t a t h e nw ed os o m ep r o c e s sw o r kt oc o n v o f tt h el a t i t u d ea n d l o n g i t u d ed a t at op l a n ec o o r d i n a t e s t h e nw e g a l lm a pt h ep l a n ec o o r d i n a t e st od e s c r i b e t h et r a c ka n da n a l y s ei t n e x t , w ee s t a b l i s ht h ed a t am a n a g e m e n tp l a t f o r mo ft h ed i g i t a lt r a c km a pt h r o u g h d e s i g n i n gt h es o f t w a r ea n dh a r dw a r ee n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r , w ec h o o s e $ 3 c 4 4 8 0 e m b e d d e ds y s t e mb a s e d0 1 1a r m 7 t d m ia st h eh a r d w a r ee n v i r o n m e n t , e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mu c l i n u xa n de m b e d d e dd a t a b a s es q “t ea st h es o f t w a r ee n v i r o n m e n t t h e nw ee s t a b l i s ht h ec r o s sc o m p i l i n ge n v i r o n m e n t ，g a i n i n gav i r t u a ll i n u xo nt h e c o m p u t e r , s oa st og e tp r o g r a mw h i c hc a n r u ni nu c l i n u xo ne m b e d d e ds y s t e m n e x t ， w ee d i tu c l i n u xo nt h er c o s sc o m p i l i n ge n v i r o n m e n t ，t r a n s p l a n t i n gt h eo p e r a t i o n g s y s t e mu c l i n u xt ot h ee m b e d d e ds y s t e m t h e nw ed os o m ec h a n g ei nt h ek e n e lo f u c l i n u x ，e m b e d d i n gs q l i t ei n t ot h ek e n e l ，c h a n g i n gs o m eo p t i o n sa n dt r a n s p l a n t i n gt h e n e wk e n e l 谢t t is q l i t ei n t ot h ee m b e d d e ds y s t e m t h r o u g ht h ew o r ka b o v e ，w eh a v e e s t a b l i s h e dt h ed a t am a n a g e m e n tp l a t f o r mo ft h ed i g i t a lm a pw i mt h ec o m b i n a t i o no f a r m 7 + u c l i n u x + s q l i t e t h r o u g ht h er e s e a r c ha n dt h ed e s i g no ft h i sp a p e r , w ep r o p o s e dam e t h o df o rd a t a r e c e i v i n g , d a t ap r o c e s s i n ga n dd a t am a n a g a n e n t w i t ht h em e t h o da n dt h ed a t a m a n a g e m e n tp l a t f o r ma r m 7 + u c l i n u x + s q l i t ew ed e s i g n e d , w cs u p p l ya l li m p o r t a n t b a s ef o r t h ee m b e d d e dd i i g i t a lt r a c k 瑚p k e y w o r d s - d i g i t a lt r a c km a p ；e m b e d d e ds y s t e m ；g p s ；u c l i n u x ；s q l i t e c l a s s n o ：u 2 8 4 v 图 图1 1 工作任务流程3 图2 1 大地坐标系8 图2 - 2 嵌入式系统的应用领域1 1 图2 3s 3 0 螂0 x 处理器引脚结构15 图2 4 $ 3 c 4 4 8 0 嵌入式系统l6 图2 5 系统硬件结构1 6 图3 1 数字轨道地图内容2l 图3 2 数字轨道地图生成流程2 2 图3 3 数字轨道地图生成流程2 3 图3 4g p s 卫星定位接收机2 4 图3 5g p s 卫星定位数据测量硬件框图。2 4 图3 6g p g g a 格式的数据。2 5 图3 7 卫星定位数据处理流程。2 6 图3 8 几何投影示例2 9 图3 9 高斯投影示意图。3 0 图3 1 0 数字轨道地图3l 图4 一l 软硬件平台架构。3 3 图4 - 2s q l i t e 中新数据库的建立3 4 图4 3 数据库中的轨道信息3 5 图4 _ 4 嵌入式操作系统建立流程。3 6 图4 _ 5c y g w i n 安装。38 图4 6 编译器路径。3 8 图4 7 交叉编译环境的检查3 9 图4 8u c l i n u x 源码包的解压4 0 图4 9 生成的操作系统文件4 0 图4 = 1 0 内核编译流程4 2 图4 - 11 编译生成的结果。4 3 图4 _ 1 2 嵌入式系统启动画面4 4 图4 - 1 3u c l i n u x 启动画面4 4 图4 1 4u c l i n u x 在嵌入式系统上运行界面。4 5 图4 - 1 5s q l i t e 移植流程。4 6 图4 - 1 6c y g w i n 下s q l i t e 源码包的处理。4 7 图4 - 1 7u c l i n u x 中新加入的数据库s q l i t e 选项5 3 图4 - 18a r m 7 + u c l i n u x + s q l i t e 平台5 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 巍碰 乡月步 名酹德以 签字日期：z o o 莎月哆日 轹 哞 鍪7 者 阳 储 刃 文 期 论 日 位 字 学 签 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 6 1 致谢 本论文的工作是在我的导师陈德旺副教授的悉心指导下完成的，陈德旺副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。陈老师在学习上 和生活上一直给予我很大的关心和帮助，他的谆谆教诲让我在做人和做学问方面 都学会了一种全新的态度和方式。我庆幸于从陈老师的言传身教中学到的这种真 正做科研的态度和工作方式，在此向陈老师表示衷心的谢意。 蔡伯根教授、王剑老师、上官伟老师对于我的科研工作和论文都提出了许多 的宝贵意见，在实验室工作期间一直给予我无私的指导。特别是王剑老师在论文 撰写中给予我耐心的指点和帮助，没有他们的帮助，我很难顺利完成论文的撰写。 在此对老师们表示衷心的感谢，希望老师们科研和工作顺心。 在实验室工作及撰写论文期间，师姐高倩，师兄罗鑫，同门刘江、于磊、朱 磊、庞彦知、王欢、李莹莹，同学张耀兰、王剑秋、叶敬贤，师弟贾晓哲等对我 论文中的g p s 数据获取及处理、嵌入式系统实现和论文撰写等方面的工作给予了 热情帮助，在此向他们表达我诚挚的谢意，祝他们前程似锦。 最后要感谢我可敬可爱的父母，他们是我坚强的后盾，他们一如既往的理解 和支持使我能够在学校专心完成我的学业，希望他们身体健康。 本论文由国家自然科学基金项目“列车控制数字轨道地图自动生成的关键算 法和方法研究 ( 项目号：6 0 7 7 6 8 3 3 ) 支持。 1 引言 1 1研究背景和意义 铁路是国民经济发展的重要保障，在基于通信的列车控制系统( c b t c ) 研究 领域中，列车定位是一项关键技术。随着c b t c 的不断发展，列车定位方式也逐 渐发生了变化【l 】。轨道电路、查询应答器、里程计、卫星定位技术等均可应用到列 车定位领域，其中，采用卫星定位便是列车定位的一个重要发展方向。随着全球 卫星定位系统( g n s s ) 技术的发展，利用g n s s 可以获得大量实测轨道卫星定位 数据，结合轨道地图数据库技术就可以准确地定位列车【2 】【3 】。因此数字轨道地图技 术应运而生 有了数字轨道地图，可以辅助g n s s 实现列车定位。通过向列车定位系统提 供列车定位信息，实现对列车的定位和追踪。因此，对数字轨道地图的研究具有 很高的实际应用价值。 数字轨道地图以大量轨道位置信息为实现基础【4 】，所以轨道位置信息的获取、 处理和管理是数字轨道地图研究领域的重要技术。轨道位置信息的获取可以通过 基于g n s s 的测绘技术实现，而要将轨道信息数据存储和管理，就要选用合适的 软硬件环境。在列车控制系统中，要求设备具有实时性和准确性，嵌入式系统具 有上述特点，是列车控制系统中设备的重要实现平台。将数字地图的大量轨道位 置信息存储在嵌入式系统中，利用嵌入式数据库进行管理，相比于其他实现方式， 有体积小、重量轻、成本低、稳定性好等优点。因此将嵌入式数字轨道地图应用 在列车车载设备中，则可以实时有效地提供列车定位信息。要想实现数字轨道地 图，就必需做好轨道信息的获取、处理和管理工作，这些研究具有重要的理论价 值和实际应用意义。 1 2国内外研究现状 数字轨道地图是相对于传统的地图而言的，其发展经历了一个过程，深入的 了解和分析其研究现状将为此方面的工作提供良好的知识基础和技术准备。 随着地图学技术的不断发展，传统的纸质地图已经不能满足现代信息社会及 时、详细、全面和方便的需求，数字地图的出现彻底更改了地图学研究的方向和 趋判习【6 】。数字地图是以地图数据库技术为基础，将地理信息数字化，在显示终端 形成直观的地理信息画面的技术【刀。数字地图通过数字手段实现传统的在纸质地图 上用图形、符号、颜色、注记等表示的空间信息。以计算机外存设备存贮管理， 在地理信息系统的空间数据管理与处理软件的支持下可完成传统中人们通过使用 和阅读地图完成的一些空间信息加工活动。数字地图由于和计算机高效、准确的 处理功能相结合，很容易灵活地产生各种满足不同需求的新的产品模式。 国际上对数字地图的研究已经有了一段历史，从2 0 世纪9 0 年代初到现在， 已经发展和应用到各个领域，如地质勘查、军事指挥、交通诱导等嗍。大多数应用 在交通领域的数字地图是针对城市公路交通的并得到了广泛的推广，而针对轨道 交通的数字地图研究领域相比则要落后f 9 】【l o l 。随着当今轨道交通的飞速发展，为了 更直观的描述轨道信息和定位列车，国内外都开始关注应用于轨道交通的数字地 图。 目前，很多国家在研究数字轨道地图技术，并以此来提高运输的效率，因为 合理的运用数字轨道地图将为列车运行带来极大的方便【1 1 1 。欧洲一些国家以及美 国已经在应用g p s 技术生成数字轨道地图数据库方面进行了一系列研究，并根据 各个地区的不同情况提出了不同的数字轨道地图的设计方法【1 2 】。国内对数字轨道 地图的研究起步相对较晚，早期建设的铁路甚至没有数字轨道地图，因此国内对 于数字轨道地图方面的研究还很缺乏，此研究领域还处于发展起步阶段【1 3 1 。在国 内大力发展铁路和城市轨道交通的今天，有必要进一步加大研究力度，以适应我 国铁路科研领域快速发展的需求。 数字轨道地图生成的基础是基于卫星定位的测绘技术。卫星定位是一项发展 迅速的科学技术，但世界上只有几个国家拥有和正在开发卫星定位系统，其中包 括美国的全球卫星导航系统 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ”，俄罗斯的全球卫星 导航系统 g l o n a s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) ，欧洲的全球卫星导航系 统“伽利略( g a l i l e o ) ”和中国的全球卫星导航系统“北斗系统，【1 4 1 。其中，前两者已 经发展成为比较成熟的定位系统，而后两者起步比较晚，都在进一步改进和完善 的进程中。相比于俄罗斯的g l o n a s s ，美国的g p s 更是相对成熟和完善而且技 术具有一定优势，所以g p s 成为了卫星定位领域得到最广泛应用的卫星定位系统。 应用g p s 卫星定位技术，可以获得轨道卫星定位数据【l 孔。 在轨道信息管理平台方面，数字地图可以通过多种平台实现。目前最为常见 的是在电脑上应用的各种数字地图。与此同时，数字地图也可以在嵌入式系统上 实现，例如现在很多便携设备如手机、g p s 导航仪等，这些嵌入式平台实现的数 字地图为人们的生活带来了诸多方便。嵌入式系统作为后p c 时代的领军人物，已 经成功渗透和应用到生活中的各个方面。目前全球只有1 0 左右的芯片是为台式 机和笔记本设计，嵌入式系统的c p u 则每年生产出数十亿片。嵌入式技术已经成 2 为微电子和计算机技术的重要分支，其应用更是涉及金融、航天、电信、网络、 信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域【1 6 】。而伴随着嵌入式系统中数据管 理日益提高的要求，嵌入式数据库逐渐得到了广泛的应用。在拥有实时、快速、 占用资源低等特点的嵌入式数据库的发展中，嵌入式数据管理技术相应快速发展。 因此以嵌入式系统作为数字轨道地图的实现平台，将嵌入式技术和应用于轨道交 通的数字地图技术进行结合是基于通信的列车控制系统( c b t c ) 发展的趋势，嵌 入式技术可以为c b t c 提供良好的技术支持。 1 3论文内容及结构 数字轨道地图中包含大量轨道信息( 卫星定位数据) ，这些轨道信息是通过卫 星定位测绘技术获取的。通过卫星定位测绘，获取轨道的经纬度、高程等信息， 经过提取处理之后可以得到系统需要的位置信息，本文中我们提取出经纬度位置 信息来研究。这些位置信息数据还需要用数据库进行管理，便要用到基于嵌入式 系统的嵌入式数据库。 i 研究数字轨道地图技术，设计数字 i轨道地图 上 l 现场实验，卫星定位测绘技术 l获得轨道位置信息数据 上 i 对轨道位置信息数据进行处理，完 i成数据转换，生成地图 上 i 设计数字轨道地图嵌入式数据管理 平台 上 嵌入式数据管理平台 a r m 7 + u c l i n u x + s q l i t e 的实现 t r 结束 图1 - 1 工作任务流程 f i g l - 1p r o e a 潞o f t o t a lw o r k 3 本文的工作任务流程如图1 1 所示。本文将对嵌入式数字轨道地图数据管理平 台进行研究和设计，工作内容包括研究并设计数字轨道地图，获取轨道位置信息 数据、对轨道位置信息数据进行处理、选择和设计合适的实现平台对轨道位置信 息数据进行管理。具体实现手段是利用g p s 接收机获取实测轨道信息，提取需要 的轨道位置信息并通过处理将轨道位置信息数据进行转换，设计基于嵌入式系统 s 3 c 4 4 8 0 的数字轨道地图硬件平台，使用嵌入式操作系统u c l i n u x 和嵌入式数据库 s q l i t e 作为软件平台，实现对轨道信息的管理平台a r m 7 + u c l i n u x + s q l i t e 的搭建。 本文在结构上共分为五章，各章主要内容如下所示： 第一章为绪论，对论文的选题背景和国内外发展现状以及相关内容进行简单 的介绍，并由此提出论文的研究目的研究并设计数字轨道地图，将轨道位置 信息数据进行处理生成数字轨道地图，并设计一种嵌入式数字轨道地图数据管理 平台。 第二章介绍了论文所涉及的关键技术：全球定位系统( g p s ) 、嵌入式系统、 嵌入式数据库技术，并论述了以上技术在本文中的应用方式和作用。 第三章是数字轨道地图的设计与生成。利用卫星定位测绘技术测量轨道卫星 定位数据，获得卫星定位数据后，经过信息提取并转换为位置信息，生成数字轨 道地图。而数字轨道地图中的轨道位置信息就是嵌入式数据管理平台管理的数据 对象。 第四章是嵌入式数字轨道地图数据管理平台的实现。利用c y g w i n 在电脑上建 立交叉编译环境，对嵌入式操作系统u c l i n u x 和嵌入式数据库s q l i t e 进行修改和 编辑，并实现嵌入式操作系统和嵌入式数据库的移植，用a r m 7 + u c l i n u x + s q l i t e 的组合构建了数字轨道地图数据管理的嵌入式平台。 第五章为本文的总结和对后续研究的展望。回顾了论文中数字轨道地图的生 成以及数据处理方法和建立的平台，提出课题下一阶段的研究方向和工作建议。 4 2 嵌入式数字轨道地图的关键技术 在基于通信的列车控制系统( c b t c ) 中，数字轨道地图在嵌入式平台实现需 要多种关键技术的支持，如g p s 定位、嵌入式系统、嵌入式数据库等。这些关键 技术的研究是数字轨道地图在嵌入式平台实现的基础。 2 1 g p s 定位技术 全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是2 0 世纪7 0 年代由美国陆海 空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三 大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应 急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成【1 7 】。经过2 0 余年的研究 实验，耗资3 0 0 亿美元，到1 9 9 4 年3 月，全球覆盖率高达9 8 的2 4 颗g p s 卫星 星座己布设完成。g p s 是以卫星为基础的授时与测距导航无线电导航定位系统， 能为车辆、轮船等诸多移动站提供精确的三维坐标、速度和时间。经近l o 年我国 测绘等部门的使用表明，g p s 以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点， 赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测 量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力 学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命【墙1 9 1 。随着全球定位系 统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国 民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。 2 1 1g p s 定位原理 g p s 由卫星星座( 空间部分) 、地面监控系统( 地面控制部分) 、g p s 信号接收机 ( 用户设备部分) 等三个部分组成【2 们。g p s 的空间部分是由2 4 颗g p s 工作卫星所 组成，这些g p s 工作卫星共同组成了g p s 卫星星座，其中2 1 颗为可用于导航的 卫星，3 颗为活动的备用卫星。这2 4 颗卫星分布在6 个倾角为5 5 。的轨道上绕 地球运行。卫星至地球表面的平均高度为2 0 2 0 0 k i n ，运行周期约为1 2 恒星时。地 球上任何地点、任何时刻至少都能观测到4 颗卫星。每颗g p s 工作卫星都发出用 于导航定位的信号【2 1 1 。g p s 用户正是利用这些信号来进行工作的。 以3 颗位置已知的卫星为圆心，以被测点到卫星的距离为半径作3 个圆，这3 个圆的交点就是被测点的位置。在g p s 系统中，就是根据空中运行的3 颗卫星和 5 这些卫星到被测点的距离，确定被测点的位置。全球卫星定位导航系统采用多星 高轨测距体制，g p s 接收机在同时接收到3 颗以上卫星的信号后，由3 颗卫星至 用户的3 个等距离球面的相交即可确定用户的位置。通过对4 颗卫星的观测还可 定时，并由时钟改正值来修正距离测量误差 2 2 2 3 1 。 g p s 接收机使用c a 码。卫星发射的l l 载波和p r n ( 伪随机噪声) 码都与卫 星时钟同步，经过一定的传播延迟后，被接收机接收。接收机将接收到的信号解 调，得到延迟后的伪随机噪声码，它与接收机本身产生的伪随机噪声码相比较， 即可确定两个码之间的相对位移，即传播延迟t 。由传播延迟t 即可确定卫星与接 收机之间的距离r ，r f c t ，c 为光速。由于所测得的传播中包含有卫星时钟偏差、 用户接收机时钟偏差、信号传播的附加延迟，因此所测得的距离有误差，故称伪 距，对伪距进行修正后即可得出接收机至卫星的距离【2 4 】。 2 1 2g p s 接收机信息的提取 g p s 接收机( 用户设备部分) 是用户可以使用的部分。通过g p s 接收机收到 的数据信息可以提取出来以便用户分析和处理。目前g p s 厂商大多数遵循的数据 信息格式是n m e a 018 3 格式。n m e a 是“n a t i o n a lm a r i n ee l e c t r o n i c sa s s o c i a t i o n 一 ( 国际海洋电子协会) 缩写，同时也是数据传输标准工业协会，在这里，实际上 应为n m e a 0 1 8 3 2 5 1 。它是一套定义接收机输出的标准信息，有几种不同的格式， 最常用的格式为“g p g g a 一，它包含了定位时间，纬度，经度，高度，定位所用 的卫星数，d o p 值，差分状态和校正时段等，其他的有速度，跟踪，日期等。 g p s 固定数据输出语句( s g p g g a ) 是一帧g p s 定位的主要数据，也是使用最 广的数据。$ g p g g a 语句包括1 7 个字段：语句标识头，世界时间，纬度，纬度半 球，经度，经度半球，定位质量指示，使用卫星数量，水平精确度，海拔高度， 高度单位，大地水准面高度，高度单位，差分g p s 数据期限，差分参考基站标号， 校验和结束标记( 用回车符 c l 和换行符 ) ，分别用1 4 个逗号进行分隔【2 叭。 该数据帧的结构及各字段释义如下： $ g p g g a , ， ， ， ， ， ， ， ，m ， ，m ， ， 拿x x $ g p g g a 起始引导符及语句格式说明如下： u 1 r c 时间，格式为h h m m s s s s s ； 纬度，格式为d d m m m m m m ( 第一位是零也将传送) ； 纬度半球，n 或s ( j 匕纬或南纬) ； 经度，格式为d d d m m m m m m ( 第一位零也将传送) ： 6 经度半球，e 或w ( 东经或西经) ； 遁定位质量指示，o = 定位无效，l = 定位有效； 使用卫星数量，从0 0 到1 2 ( 第一个零也将传送) ； 水平精确度，0 5 到9 9 9 ； 天线离海平面的高度，- 9 9 9 9 9 到9 9 9 9 9 米； m 指单位米； 图4 4 数据库中的轨道信息 f i 9 4 - 3 t r a c k l i n e d a t a i n t h e d a t a b a s e 如图4 - 3 ，到此完成了对数据库资料的添加，并可以利用添加、修改、删除等 指令对数据库中的轨道信息进行操作。进过以上步骤已经实现了利用嵌入式数 据库s q l i t e 对轨道信息进行管理，接下来我们要完成的是对轨道信息管理平台的 转换，即移植到嵌入式系统$ 3 c 4 4 8 0 上。下一步首先要完成的就是在嵌入式系统 上面建立嵌入式操作系统u c l i n u x 。 4 2 嵌入式操作系统的建立 嵌入式操作系统建立流程如图4 - 4 所示 建立c y g w i n 交叉编译环境， 设置环境变量路径 上 获取u c l i n u x 源码包，在 c y g w i n 下解压 0 u c l i n u x 内核配置，使其匹配 s 3 c 4 4 8 0 硬件平台 上 对u c l i n u x 内核进行编译，生 成镜像文件 上 嵌入式操作系统u c l i n u x 移植 并运行 上 ，、 (结束) 图4 _ 4 嵌入式操作系统建立流程 f i g “p r o c e s so f t h ce s t a b l i s h m e n to f e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 如图，嵌入式操作系统建立的流程包括五步：首先在计算机上建立虚拟 l i n u x 的交叉编译环境，接下来将u c l i n u x 源码解压并对内核进行配置，然后通过 编译和移植实现嵌入式操作系统建立的过程。 4 2 1 c y g w i n 交叉编译环境 通用的计算机和嵌入式系统两者之间有联系也有区别。嵌入式系统可以看做 是简化的电脑系统，但是两者的运行机制又有所不同。这样就导致了在计算机上 可以运行的软件在嵌入式系统上无法运行。目前我们计算机所用的操作系统大多 是m i c r o s o f t 的w i n d o w s 操作系统，而嵌入式系统的操作系统就种类繁多。以本文 为例，嵌入式系统上运行的操作系统就是u c l i n u x ，而这个操作系统与计算机上的 w i n d o w s 操作系统恰恰是不兼容的，也就是说硬件平台和软件平台各自独立，在电 脑上面编译的软件无法在嵌入式系统上运行。而编译生成的软件的本质就是按照 某种规则组织的二进制文件，而规则起于编译器的规则，因此要建立一个针对嵌 入式系统的在p c 上的交叉编译环境，使得在计算机上编译生成的文件嵌入式系统 能够识别并在其上运行【2 】。这个交叉编译环境就是c y g w i n 。 c y g w i n 是一个在w i n d o w s 平台上运行的u n i x 模拟环境，是c y g n u ss o l u t i o n s 公司开发的自由软件( 该公司开发了很多好东西，著名的还有e c o s ，不过现已被 r e d h a t 收购) 。它对于学习u n i x l i n u x 操作环境，或者从u n i x 到w i n d o w s 的应用程 序移植，或者进行某些特殊的开发工作，尤其是使用g n u 工具集在w i n d o w s 上进 行嵌入式系统开发，非常有用。随着嵌入式系统开发在国内日渐流行，越来越多 的开发者对c y g w i n 产生了兴趣。c y g n u s 当初首先把g c c ，g d b ，g a s 等开发工具进 行了改进，使他们能够生成并解释w i n 3 2 的目标文件。然后，要把这些工具移植 到w i n d o w s 平台上去。一种方案是基于w i n 3 2a p i 对这些工具的源代码进行大幅修 改，这样做显然需要大量工作。因此，他们采取了一种不同的方法他们写了 一个共享库( 就是c y g w i nd n ) ，把w i n 3 2 砸中没有的u n i x 风格的调用( 如f o r k ， s p a w n ，s i g n a l s ，s e l e c t ，s o c k e t s 等) 封装在里面，也就是说，他们基于w i n 3 2a p i 写了一个u n i x 系统库的模拟层。这样，只要把这些工具的源代码和这个共享库连 接到一起，就可以使用u n i x 主机上的交叉编译器来生成可以在w i n d o w s 平台上运 行的工具集。以这些移植到w i n d o w s 平台上的开发工具为基础，c y g n u s 又逐步把 其他的工具( 几乎不需要对源代码进行修改，只需要修改他们的配置脚本) 软件 移植到w i n d o w s 上来。这样，在w i n d o w s 平台上运行b a s h 和开发工具、用户工具， 感觉好像在u n i x 上工作1 3 3 1 。因此利用c y g w i n ，就可以开发出在$ 3 c 4 4 8 0 嵌入式 开发板中可以运行的软件了。 本文中安装的c y g w i n 是2 1 9 4 2 2 4 版本，安装在d 盘下面，选择本地全部安 装。在安装中要注意一点，那就是要选择i n s t a l la l l ，因为c y g w i n 编译中要用到很 多工具，如果没有全部安装总会有一些错误发生。这是安装c y g w i n 中要特别注意 的一步，通过点击选项后面的字样就可以选择进行全部安装，如图4 - 5 所示： 3 7 韭盛窑遭厶堂亟! 堂也诠奎鲢式墼主丛道地国垫摇茸堡芏金曲塞强 削4 - 5c y 割v i n 安装 f i s 4 - 5i n s t a l l a t i o no f c y g “n 如图4 _ 5 全部安装后，要增加环境变量路径，即编译器路径。如果环境变量路 径不正确，编译器是不能进行编译的。计算机系统属性的高级选项卡中，在环境 变量的系统变量中手工增加编译路径：p a t h = d ：x c y g w i n x b m 。接下来安装交叉编译 工具r e r e t o o l s ，同样完成之后要手工增加编译路径：p a t h - - m ：c y g w i n x a r m t o o l s 、b i n 。 如图4 - 6 所示： 图 6 编译器路径 f 1 9 4 - 6 p a t h o f t h cc o m p i l 盯 如图4 - 6 添加完编译路径后，为了检查在计算机上交叉编译环境是否安装完 毕启动c y g w i n ，在起始目录下输入命令：“g + v - v ”束检查编译嚣版奉。检查结 些立窑垣左堂鲤上堂垃监窑鲢厶式垫主塾遵地图堑揖萱堡壬台啦塞丑 果如罔4 - 7 所示 图4 7 交x 编译环境的检杏 f i g 禾7 c h e c kr e s u l t o f m c c o m p i l i n g 舶“o m 衄e n l 如图4 _ 7 中检查结果显示出了g c c 编译器的版本。经过以上步骤，我们就在电 脑上建立了l m u x 交叉编译环境用c y g , _ v i n 模拟的l i n u x 可以在w i n d o w s 下运行了。 这样就可以将u c l i n u x 提供的免费的源码包在计算机上进行编译，生成在嵌入式系 统上可以运行的u c l i n u x 操作系统。 4 22u c l i n u x 操作系统的移植 u c l i n u x 是一敖免费丌掘的操作系统适用于多种嵌入式系统平台。基于a k m 7 的嵌入式系统$ 3 c 4 4 8 0 就是其中一种平台。但是u c l i n u x 提供的源码包要想编译 生成可以在嵌入式系统中运行的操作系统，还要根据具体的嵌入式平台进行一系 列改动和设置，这个过程就是对u c l i n u x 操作系统编译的过程p w 。 首先，我们要到h t t p ：w w w u c l i n u xo 吲嘲站下载u c l i n u x 源码。本文用的是 u c l i n u x 2 0 0 3 1 1 0 3 喀版本，将获得的源码压缩包u c l i n u x 2 0 0 3 1 1 0 3 t 弘拷叭到c y g w i n 的安装目录d ：、c y g w i n 卜，接下来启动c y g w i n ，在l i n u x 的s h e l l 命令行中输入命令 可以进入到根日录( 就是计算